物理學的“聖杯”:希格斯玻色子的簡史

據New Atlas報道,本月是希格斯玻色子(Higgs boson)發現10周年,這是一個真正的科學“聖杯”。此前科學家們追尋這種粒子已達近50年。但這種粒子究竟是什麼,為什麼它如此重要?在發現后的十年裡,它教會了人們什麼–更重要的是,在未來的十年裡它能教會人們什麼?

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粒子物理學的標準模型預測,宇宙是由12個基本物質粒子、4種基本自然力和最後一個將所有粒子聯繫在一起的粒子–希格斯玻色子組成的。長期以來,希格斯玻色子粒子都是“拼圖”中最後缺失的一塊,這是個問題,因為沒有它,其餘的部分就沒有意義了。

它的存在在20世紀60年代首次由其英國科學家彼得·希格斯預測,並由弗朗索瓦·恩格勒特和羅伯特·布魯特的團隊獨立預測。這些物理學家一直在努力回答基本粒子如何獲得其質量的問題,並計算出這是在它們與瀰漫在宇宙中的量子場相互作用時發生的。這個模型預測,所謂的希格斯場(Higgs field)也會產生自己的粒子,希格斯玻色子的概念由此誕生。

預測它是一回事,但真正找到它是另一回事。該模型表明,希格斯玻色子幾乎會瞬間衰變為其他粒子,這給了科學家們一個觀察它的非常小的窗口。更糟糕的是,該粒子的質量可能在10到1000GeV之間。因此,幾十年來,人們一直認為這種搜索是不可能的。

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直到20世紀80年代,技術才最終跟上。物理學家們意識到,希格斯玻色子可以通過將粒子高速撞擊在一起而產生,雖然它們會迅速消失,但通過觀察產生的粒子,可以發現它們的特徵,即希格斯可能衰變成的粒子。

即使有了一系列功率越來越大的粒子對撞機,希格斯玻色子在接下來的幾十年裡仍然沒有被發現。不過,這並不是完全的失敗–每一個無效的結果都有助於縮小可能的質量範圍,因此在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)的早期,質量範圍縮小到115至130 GeV之間。

人們的注意力特別集中在125GeV附近,LHC團隊在那裡注意到了與希格斯玻色子一致的過量事件。歐洲核子研究中心預計,到2012年底,這些數據將”肯定會給出一個答案”–一勞永逸地確認希格斯玻色子的存在或不存在。

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果然,2012年7月4日,粒子物理學家宣布了希格斯玻色子的歷史性發現。來自歐洲核子研究中心的兩個獨立團隊ATLAS和CMS的數據,在同一個結論上趨於一致–他們發現了一個質量約為125.3GeV的新粒子和其他一些類似希格斯玻色子的特性。

進一步的實驗證實了這是人們長期尋找的希格斯玻色子,為彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特贏得了2013年諾貝爾物理學獎。

儘管這一宣布在當時是令人興奮的,但經常有報道說希格斯玻色子從那時起變得相當“無聊”,因為它並沒有公布任何瘋狂的新物理學。那麼,在發現希格斯玻色子后的十年裡,它都在做些什麼?

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在最初的幾年裡,科學家們仔細研究了這種新粒子,以檢查它是否具有標準模型所預測的所有屬性。例如,它的自旋需要為零,而且它與粒子耦合的方式需要與它與反粒子耦合的方式完全相同。事實證明,兩者都與模型的預期相符。

大型強子對撞機實驗還證實了希格斯玻色子的主要預測之一–標準模型中的其他粒子通過與希格斯場相互作用而獲得其質量。這反過來又證實了希格斯粒子在一些基本力量中的作用–例如,如果希格斯玻色子不存在,我們就需要對諸如為太陽提供動力的核聚變反應做出新的解釋。

在大型強子對撞機的第二次運行期間,產生了大約800萬個希格斯玻色子,ATLAS和CMS團隊最近發布了基於這些數據的新研究。這包括它從不同過程中產生的頻率,它衰變成哪些其他粒子和頻率,以及它與其他粒子的相互作用有多強。在科學家們對它進行的幾乎每一次實驗中,希格斯玻色子都符合標準模型的預測。

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儘管到目前為止,希格斯玻色子與標準模型的吻合度相當高,但更詳細地研究希格斯玻色子可能是科學家們揭開這個框架之外的物理學的門票。

以暗物質為例。證據表明,這種神秘的物質瀰漫在宇宙中,並以其強大的引力影響將星系和星團等結構固定在一起。到目前為止,它還沒有通過實驗被直接探測到,主要是因為暗物質很少與常規物質發生相互作用–但是有一個機會,希格斯玻色子與暗物質發生相互作用的方式可能最終使其被探測到。

希格斯粒子的新測量結果提出的另一個奇怪的難題是,宇宙可能並不像它看起來那樣穩定。它目前可能存在於所謂的假真空狀態,但在任何時候,宇宙–或它的大部分–都可能突然坍縮成一個真正的真空狀態。這可能會完全消除所有物質,或者如果科學家們幸運的話,它可能只是改寫了自然法則。

宇宙仍然存在的事實表明,由於其他未知力量的作用,它比科學家們的模型顯示的更穩定。希格斯玻色子可以幫助科學家們揭開這些力量。

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它還可能為另一個長期存在的謎團提供新的線索,即為什麼宇宙很久以前沒有自我毀滅。科學家們目前的模型表明,大爆炸產生的物質和反物質應該是等量的,但如果是這樣的話,所有的物質都會在數十億年前發生碰撞並湮滅。這顯然沒有發生,表明由於某種未知的原因,創造的物質比反物質多出一部分。希格斯粒子可以幫助科學家們們弄清是什麼讓“天平”向我們傾斜。

這些深刻問題的答案可能就在眼前。7月初,大型強子對撞機啟動了第三次運行,其能量比以前更高。而在2029年,該設施將作為高亮度大型強子對撞機(HL-LHC)開始新的探索,在一次重大的技術升級之後,將比以往任何時候都更深入地探索物理學。希格斯玻色子將是這些實驗中的一個核心內容。